IR5000高效节能系统 +集控系统 X4I在螺杆空压机中的节能应用

郝恒义,张而建,李增昌

(1.河南中烟工业有限责任公司洛阳卷烟厂 ,河南洛阳 471003;2.上海英格索兰压缩机有限公司 ,上海 200070)

1 引言

空压机在工业生产中有着广泛的应用,其种类有活塞式、螺杆式、离心式等。某厂由于气量和压力等原因,选用 4台英格索兰 S M200无油螺杆式空压机,并配英格索兰高效节能控制系统 IR5000-200-I和智能集控系统 X4 I对 4台 S M200无油螺杆式空压机进行节能控制。

2 传统空压机加、卸载供气控制方式简介

传统螺杆空压机的主要工作方式有启动、停止、加载、卸载,以下主要对加载、卸载进行简单介绍。螺杆空压机的进气口都设置有加载阀,一般是通过加载电磁阀控制的。在空压机运行时,若排气压力低于设定目标压力的下限,则空压机控制器会命令加载电磁阀通电,从而将入口阀门完全打开,空压机处于满负荷加载状态;若排气压力高于设定目标压力的上限,则空压机控制器会命令加载电磁阀失电,从而将入口阀门关闭,空压机处于无负荷卸载状态,此时空压机实际为空转运行。

3 传统空压机加、卸载供气控制方式缺陷

由于空压机选型是按照工厂用气量最大的极限情况来设计的,而且还留有 10%～20%的富余量。而在实际运用中所需求的实际气量比空压机所提供的要少得多,而且用气量是变化的,所以会造成以下现象。

3.1 空压机加载率偏低

较低的加载率表明空压机有大部分的时间处于卸载状态,这就表明每年每台空压机系统有大部分时间是空转运行,是不做任何功。

3.2 空压机存在频繁加卸载现象

机组频繁加、卸载直接导致进气系统组件寿命缩短,间接导致机组其它部件如主机、主电机负荷变化过于频繁,缩短寿命,特别是冷却器部件内部压力变化大、换热交替频繁,严重影响冷却器芯的使用寿命。

3.3 空压机压力带宽设置偏高

由于空压机只能通过加、卸载来调节压力,为了能够满足生产用气的最低要求,空压机的压力带设置偏高,相当于系统存在了接近 0.1 MPa的无用压力。根据经验可知,压力每升高 0.1 MPa,会增加至少 7%的能源消耗。

3.4 空压机启动冲击

大功率电机进行星三角启动,对空压机机械组件产生强大的冲击,长期下去,会影响空压机内部机械组件的使用寿命,增加空压机的维护成本。

3.5 空压机站房噪音明显

由于空压机长期处于较为频繁的加、卸载调节状态,而且大部分时间是处于空放状态,在这种状态下,空压机不断的泄放筒体压力,使得空压站房的噪音明显。

4 空压站系统节能原理分析

空压机加、卸载控制方式使得压缩气体的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。Pmin是最低压力值,即能够保证压缩空气用户正常工作的最低压力。一般情况下,Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示:Pmax=(1+δ)Pmin,δ是一个百分数,其数值在 10%～25%之间。若采用调速技术可连续调节供气量的话,则可将管网压力始终维持在能满足供气的工作压力上,即Pmin附近。

由此可知,调速节能控制下的空压机,节能机会主要在于如下几个部分:①压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量。超过Pmin的压力一方面使空压机克服大于Pmin的压力做功,导致无谓的额外功率损耗,另一方面导致系统泄漏增加。②减少加卸载频次、根据实际需求供应压缩空气。通常情况下,当压力达到Pmax时,空压机通过如下方法来降压卸载:关闭进气阀使电机处于空转状态,同时将空压机分离筒中多余的压缩空气通过放空阀 (放气阀)放空,这种调节方法会浪费很大的能量。关闭进气阀使电机空转虽然可以使空压机不需要再压缩气体做功,但空压机在空转中还要带动螺杆做回转运动,根据空压机加、卸载电流测算,空压机卸载时的能耗约占空压机满载运行时的 30%。而减少空载时间即减少了空压机做无用功的时间,节能效果显著。③25 Hz空载运行。空压机即使需要空载,在调速改造后频率从原来的 50 Hz降到 25 Hz,显着降低了空载功率消耗。

在配制多台空压机的系统中,通常有以下三种方式:①通过DCS等主控系统根据管网压力启停空压机;②通过设置压力梯度并依靠空压机的自动启停机功能获得自动主备机功能;③通过压缩空气集中管理系统进行集中控制。

第一种方式在多台空压机同时运行时,不能解决各台空压机自身的压力控制带来的影响,从加载角度容易导致没有明显的主备机次序,甚至存在多开空压机且有空压机长时间空载运行的情况,因此这种运行方式并不节能。

第二种运行方式会产生压力梯度:对于压缩空气系统,0.1MPa的压力梯度将会导致 7%的系统能源损耗。对于有多台空压机应用的场合,通常需要设置压力梯度以避免多台空压机同时加载与卸载。

压力梯度的存在是为了在没有压缩空气集中管理系统的情况下,让部分机组作为主力机器运行,将其目标压力设的稍高,部分机组依次设低一定值的数值,最低的数值不能低于生产实际允许的下限压力。这样可以使得压力设得高的机组可以主力运行,在其满负荷运行依旧不能满足系统需要,压力跌到下一区间时,对应的空压机可以自动加荷运行。如果不设置压力梯度,通常无法准确判定是何时要增开机组或减少机组,因为即使所有机组都运行,输出的系统压力也不会高,这时大部分机组没有在满负荷运行,而且由于管路传输、机组压力传感器测量误差、后处理设备压损变化均会导致多台空压机不能很好的共享负载,各自控制带来了都在运行但都不满负荷的情况。压力层叠系统的压力带宽与机器的数量呈正相关的关系,该带宽直接反应出系统母管的周期性压力波动,因此第二种方式也是十分不节能的运行方式。

第三种运行方式即采用压缩空气集中管理系统管理多台空压机,管网压力集中管理每一台空压机的加载和卸载,即由一个大脑控制管网压力,压力层叠系统也不会存在,只要有足够的储气罐缓冲,它可以实现一个稳定的非常小的系统压力带,因此这种方式的节能效果明显。

5 节能改造

针对现场空压站的特点,英格索兰提出了采用智能集控系统 X4 I加高效节能系统的方案,系统结构如下页图1所示。

5.1 将 1#螺杆空压机的普通电机更换为专用变频电机

原机组采用普通工频异步电机进行拖动。普通异步电动机都是按恒频恒压设计的,不可能完全适应变频调速的要求,主要体现在:①运行过程中产生的高次谐波会增加电机转子损耗,降低电机效率;②普通电机不适用于频繁启动和停止的场合;③由于普通电机的冷却风扇和机组同轴,低频率时的电机温升较大,难以实现恒转输出。使用调速专用变频电机,尽可能的减小定子和转子电阻,以弥补高次谐波引起的铜耗增加;强迫通风冷却,即主电机散热风扇采用独立的电机驱动;具有更高的绝缘等级;具有更宽的频率调节范围,挖掘更多的节能空间。

图1 智能集控系统 X4I加高效节能系统结构图

5.2 其他改造

①将 1#螺杆空压机进行油路改造,使用专用的润滑油泵替代原机组的齿轮泵,保证机组润滑系统在调速改造后仍能够正常运作;②对 1#空压机原有电气控制回路进行改造,增加调速系统故障联锁保护、特殊启动方式虚拟保护、油路系统回路联锁保护、空压机运行信号加载信号故障信号获取等;③为1#空压机内部的风扇电机电源和控制回路另外提供工频电源;④保留 1#空压机原有的控制方式,当高效节能系统发生故障时,机组可以切换成原有的控制方式;⑤为 1#、2#、3#、4#增加信号转换模块 ,并将模块输出信号接至智能集控系统;⑥增加压力取样模块,监测储气罐的系统压力,并将此压力信号传输给高效节能系统和智能集控系统;⑦通过转换开关将 1#空压机设置在工频模式,保证 1#空压机工频时候电机转向正确,并正常运行;⑧通过转换开关将1#空压机设置在调速模式下,根据现场特性进行调整参数;⑨设置智能集控系统的参数,进行空压机站联控调试。

采用英格索兰特针对螺杆空压机特有的“先进/后出”节能控制技术。系统实时检测气罐压力,一旦系统压力低于设定下限,将优先运行处于变频运行模式的设备。随着用气需求量增加,超出处于变频运行压缩机的供气量,压缩机会全负荷运行,而变频运行的压缩机的速度会根据需要降低,以保持目标压缩机系统压力。从另一方面讲,如果用气需求量减少到变频运行压缩机调整范围以下,控制系统会对工频运行的压缩机卸荷,变频运行压缩机速度会根据需要进行增加,以保持目标压缩机系统压力。

6 改造注意事项

①空压机是大转动惯量负载,这种启动特点很容易引起调速系统在启动时出现跳过流保护的情况,建议选用具有高启动转矩的无速度传感器矢量空压机专用调速系统,既能实现恒压供气连续性,又保证设备可靠稳定的运行;②为了有效滤除输出电流中的高次谐波分量,减小因高次谐波引起的电磁干扰,建议选用输出交流电抗器,还可以减小电机运行噪音和温升,提高电动机的稳定性,还必须注意电缆安装方式,将控制电缆、动力电缆分别单独穿管铺设;③必须为无油螺杆空压机配置专用的油泵和进行电气回路改造,否则机组润滑系统会出现故障。

7 结束语

由于空压机自身结构以及多机并联运行的特殊特性,其调速节能空间是多方位的,而节能原理则更多地基于生产工艺管理者对空压机结构及压缩空气系统知识的了解程度;再加上英格索兰其专业的空压机知识和丰富的节能改造经验,为用户量身订做了这套最合身的节能方案——高效节能控制系统和智能集控系统。最终 1#无油螺杆空压机完全实现了 20～50 Hz的频率范围调整,系统管线压力波动基本保持在 0.05MPa以内;大大减少了卸载机会从而缩短做无功的时间;卸载时以原来一半的转速进行卸载运行;供气品质得到极大提高。同时通过智能集控系统 X4 I集中管理站房内的 4台空压机,使用单点压力策略、能耗变化策略、优先序列策略运行最少数量的空压机满足系统气量需求,避免不必要的能耗。